Зависимость концентрации дефектов от температуры, присутствия примесей

При рассмотрении причин образованиятакже выделяют несколько разновидностей точечных дефектов.

Тепловые дефекты. Обмен кристалла теплом с внешней средой приводит к образованию вакансий и межузельных атомов в результате тепловых флуктуаций. При 0 К тепловых дефектов нет, максимальная концентрация тепловых дефектов наблюдается вблизи температуры плавления.

При тепловом движении частиц в кристалле атом, преодолев энергетический барьер, может покинуть узел решётки и занять межузельное положение. Поскольку при этом соседние с междоузельным атомы смещаются от центра междоузлия к периферии, то перемещение атома из узла в междоузлие связано с большими затратами энергии. Появление атома в междоузлии сопровождается образованием вакансии. Попавший в междоузлие атом сможет под влиянием тепловых колебаний (его самого и соседних с ним атомов) переместиться в соседнее положение. Если на своем пути он встретит вакансию и попадает в нее, то два дефекта в кристалле при этом исчезнут. Таким образом, в реальном кристалле все время появляются и исчезают точечные дефекты.

Дефекты нестехиометрии и дефекты, обусловленные присутствием примесных атомов. Обмен кристалла веществом с внешней средой приводит к изменению химического состава кристалла. Отклонение химического состава от стехиометрического приводит к образованию вакансий и межузельных атомов – дефектов нестехиометрии.

Присутствие в кристалле примесных атомов также может вызывать образование вакансий и межузельных атомов. Содержание точечных дефектов в кристаллах может меняться при их легировании, то есть при введении малых количеств добавок. Обычно вещества, используемые в качестве примесей, образуют с основным веществом твёрдые растворы. Различают примесные дефекты, которыми являются собственно примесные атомы или ионы в решётке, и примесные дефекты, возникающие вследствие замещения основного атома решётки атомом примеси.

Электронные дефекты. Электроны условно можно разделить на связанные, которые локализованы на атомах или образуют связи между ними, и свободные, которые могут перемещаться по кристаллу.

При 0 К все электроны локализованы на атомах и химических связях между соседними атомами. При повышении температуры некоторые электроны изменяют своё связанное положение, становятся свободными, и кристалл становится проводящим. То есть повышение температуры от 0 К можно рассматривать как отклонение положения электрона от некоторого идеализированного. А в системе ковалентно связанных атомов после удаления электрона остаётся вакантное место – дырка, заряженная положительно.

Антиструктурные дефекты. Для многих двух- и более компонентых кристаллов характерно изменение способа расположения частиц в решётке при изменении температуры. Такие процессы называются переходами типа порядок-беспорядок. Предельным случаем беспорядка является произвольное распределение различным атомов по позициям, которые при низких температурах (наличие порядка) предназначены определённому типу атомов. Возникновение порядка в расположении атомов разного сорта сопровождается появлением максимумов на рентгенограммах. Антиструктурные дефекты (беспорядок) могут возникать в самых разных классах твёрдых веществ – от металлов до химических соединений.